MESHDistillation

バイオ・リファイナリー（再生可能資源であるバイオマスを原料にバイオ燃料や樹脂などを製造するプラントや技術)のシミュレーションソフト"BioSTEAM"の"MESHDistillation"の使い方を説明しています。 オリジナルのページはdistillationです。 ソースコードは以下の実行環境で確認しています。

• Visual Studio Code バージョン: 1.104.2
• 拡張機能:Jupyter バージョン 2025.8.0
• Python 3.12.10
• biosteam 2.52.13
• graphviz-14.0.2

distillation

class distillation(ID='', ins=None, outs=(), thermo=None, **kwargs)[source]

蒸留塔のモデル distillation column クラスの抽象クラス。

class BinaryDistillation(ID='', ins=None, outs=(), thermo=None, **kwargs)[source]

軽質および重質成分がそれぞれ塔頂およびボトム製品に完全に分離されると仮定した２成分(バイナリ)蒸留塔を構築します。詳細はこちら BinaryDistillation。

class ShortcutColumn(ID='', ins=None, outs=(), thermo=None, **kwargs)[source]

フェンスキー・アンダーウッド・ギリランド法を用いて、蒸留塔の理論設計および非主要成分の分離を行う多成分蒸留塔を構築します^[1]。詳細はこちら ShortcutColumn。

class MESHDistillation(ID='', ins=None, outs=(), thermo=None, **kwargs)[source]

MESH（物質収支、平衡、総和、エンタルピー）式を厳密に収束させる蒸留塔を構築します。

• パラメータ
• ID (str、省略可)
他で使われていない、一意の識別子(ID)。IDが指定されていない場合は、自動的に一意のIDが付与されます。
• ins (Sequence(順序付きコレクション)[Stream | str]、省略可)
フィード層で混合される流入ストリーム。
• outs
• [0] 塔頂留出物
• [1] ボトム生成物
• [...] 蒸気側抜き出し
• [...] 液相側抜き出し
• LHK (tuple[str])
軽質成分と重質成分としたい成分。段効率は、ライトキー成分とヘビーキー成分の相対揮発度に基づいて推定されます。
• boilup (float)
リボイラーでの蒸気から液体への相変化流量。
• reflux (float)
コンデンサーでの液体から蒸気への相変化流量。
• N_stages (int))
段数。
• feed_stages (tuple[int])
各インレットが流入するそれぞれの段数。
• vapor_side_draws (tuple[[tuple[int]])
段数と分割割合のペア。
• liquid_side_draws (tuple[[tuple[int]])
段数と分割割合のペア。
• P (float)
運転圧力。デフォルトは101325 Pa。
• vessel_material (str、省略可)
容器の構造材。デフォルトは炭素鋼。
• tray_material (str、省略可)
トレイの構造材。デフォルトは炭素鋼。
• tray_type (str)
トレイのタイプ。シーブトレイ(Sieve)かバルブトレイ(Valve)かバブルキャップトレイ(Bubble cap)。デフォルトはシーブトレイ(Sieve)。
• tray_spacing (float)
トレイ間隔。一般的には152から915 mm。デフォルトは450 mm。
• stage_efficiency (float)
ユーザー指定段効率。指定がない場合はオコンネル相関式^[2]より計算されます。
• velocity_fraction (float)
フラッディング限界速度に対する実速度比。デフォルトは0.8。
• foaming_factor (float)
0と1の間であることが必要。デフォルトは1。
• open_tray_area (float)
トレイの面積に対する有効な面積の比。デフォルトは0.1。
• downcomer_area_fraction (float)
ユーザーが指定するトレイ全体面積に対するダウンカマー面積の比率。指定がない場合はオリバー式^[1]を基に推定します。
• is_divided (float)
分離塔と精留塔が分離型構成である場合はTrue。デフォルトはFalse
• 例
5段、還流比 0.673、リボイラーでの蒸気から液相への相変化流量比 2.57、フィード段を2段としたときの蒸留塔のシミュレーションは以下のようになります。

import biosteam as bst
bst.settings.set_thermo(['Water', 'Ethanol'], cache=True)
feed = bst.Stream('feed', Ethanol=80, Water=100, T=80.215 + 273.15)
D1 = bst.MESHDistillation(None, N_stages=5, ins=[feed], feed_stages=[2],
    outs=['vapor', 'liquid'],
    reflux=0.673, boilup=2.57,
    LHK=('Ethanol', 'Water'),
)
D1.simulate()
vapor, liquid = D1.outs
vapor.imol['Ethanol'] / feed.imol['Ethanol']

0.9626719838926414

vapor.imol['Ethanol'] / vapor.F_mol

0.6992341870965038

D1.results()

	Distillation	Units
Electricity	Power	kW	0.575
	Cost	USD/hr	0.045
Cooling water	Duty	kJ/hr	-2.98e+06
	Flow	kmol/hr	2.03e+03
	Cost	USD/hr	0.992
Low pressure steam	Duty	kJ/hr	7.8e+06
	Flow	kmol/hr	202
	Cost	USD/hr	47.9
Design	Theoretical feed stage		5
	Theoretical stages		7
	Height	ft	24.3
	Diameter	ft	3.32
	Wall thickness	in	0.312
Weight	lb	3.63e+03
Purchase cost	Trays	USD	8.11e+03
	Tower	USD	3.43e+04
	Platform and ladders	USD	9.43e+03
	Condenser - Floating head	USD	2.36e+04
	Reflux drum - Vertical pressure vessel	USD	1.29e+04
	Reflux drum - Platform and ladders	USD	3.89e+03
	Pump - Pump	USD	4.35e+03
	Pump - Motor	USD	358
Reboiler - Floating head	USD	2.98e+04
Total purchase cost		USD	1.2e+05
Utility cost		USD/hr	49

全凝縮器、5段、還流比 0.673、リボイラーでの蒸気から液相への相変化流量比 2.57、フィード段を2段としたときの蒸留塔のシミュレーションは以下のようになります。

import biosteam as bst
bst.settings.set_thermo(['Water', 'Ethanol'], cache=True)
feed = bst.Stream('feed', Ethanol=80, Water=100, T=80.215 + 273.15)
D1 = bst.MESHDistillation(None, N_stages=5, ins=[feed], feed_stages=[2],
    outs=['vapor', 'liquid', 'distillate'],
    reflux=0.673, boilup=2.57,
    LHK=('Ethanol', 'Water'),
    full_condenser=True,
)
D1.simulate()
vapor, liquid, distillate = D1.outs
distillate.imol['Ethanol'] / feed.imol['Ethanol']

0.8192386850025206

distillate.imol['Ethanol'] / distillate.F_mol

0.7095860134086316

• 注記

収束アルゴリズムは、ワン・ヘンケ バブルポイント法のカスタム版を用いて、平衡関係、物質収支、およびエネルギー収支をそれぞれ分離して処理します。

初期化ステップで、まず供給流(フィード)を相平衡計算し、分配係数、バブルポイント温度および凝縮温度、ならびにフィード流の情報を取得します。次に、断熱で相変化がないこと、および再沸器・凝縮器における分配係数が1であることを仮定して、液相および蒸気相の流量を求めます。この時、ストリッピングファクターはボイルアップ比に等しいとします。最上段および最下段の温度は、供給混合物のバブルポイント温度および凝縮温度と仮定され、各段の温度はそれらの間で線形補間されます。すべての段における分配係数は、供給流のバブルポイントでの値と仮定されます。

塔効率のようなマーフィー効率は、修正オコンネル相関式^[2]に基づいています。塔の直径はトレイ間隔とフラッディング速度から計算されます^[1][3]。購入価格はワレンらのまとめた関係^[4]に基づいています。

class AdiabaticMultiStageVLEColumn(ID='', ins=None, outs=(), thermo=None, **kwargs)[source]

リボイラー、凝縮器(コンデンサー)なしの吸収塔もしくは分離塔を生成します。 詳細はこちら AdiabaticMultiStageVLEColumn。

参考文献

• [1]
  J.D. Seader, E.J. Henley, D.K. Roper. (2011) Separation Process Principles 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc.
• [2]
  M. Duss, R. Taylor. (2018) Predict Distillation Tray Efficiency. AICHE
• [3]
  Green, D. W. Distillation. In Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 9 ed.; McGraw-Hill Education, 2018.
• [4]
  Seider, W. D., Lewin, D. R., Seader, J. D., Widagdo, S., Gani, R., & Ng, M. K. (2017). Product and Process Design Principles. Wiley. Cost Accounting and Capital Cost Estimation (Chapter 16)